吉大工程熱力學(xué)講義第1章 基本概念及定義VIP

在分析能量轉(zhuǎn)換過程時(shí)，按照熱力學(xué)的宏觀方法根據(jù)轉(zhuǎn)換過程中有關(guān)物質(zhì)的狀態(tài)變化特點(diǎn)來確定能量轉(zhuǎn)換的規(guī)基本的概念及定義，以及從熱力學(xué)觀點(diǎn)重新認(rèn)識(shí)概念。凝結(jié)成水。這個(gè)過程中，實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換的工質(zhì)是水蒸①對于本章中學(xué)生已熟悉的內(nèi)容，教學(xué)時(shí)可根據(jù)具體情況適當(dāng)取舍。為外界。在進(jìn)行熱力學(xué)分析時(shí)，對于熱力學(xué)系統(tǒng)在能量轉(zhuǎn)換過程中的行為及變化規(guī)律，要作詳細(xì)分析，而對于外界一般只籠統(tǒng)地考察它們和熱力學(xué)系統(tǒng)間相互作用時(shí)所傳遞的各種能量與質(zhì)量。熱力學(xué)系統(tǒng)和外界之間的分界面稱為邊界。根據(jù)具體問題，邊界可以是實(shí)際的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移動(dòng)的。當(dāng)熱力學(xué)系統(tǒng)和外界間發(fā)生相互作用時(shí)，必然有能量和質(zhì)量穿越邊界，因而可以在邊界上判定熱力學(xué)系統(tǒng)和外界間傳遞能量和質(zhì)量的形式及數(shù)量。實(shí)際上，也只有在邊界上才能判定系統(tǒng)和外界間是否有能量和質(zhì)量的交換。由于熱力設(shè)備是通過工質(zhì)狀態(tài)變化而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的，且其變化規(guī)律決定了過程的特點(diǎn)，故在分析熱力設(shè)備的工作時(shí)經(jīng)常取工質(zhì)作為熱力學(xué)系統(tǒng)，而把高溫?zé)嵩础⒌蜏責(zé)嵩吹绕渌矬w取作外界。熱力學(xué)系統(tǒng)按其和外界是否發(fā)生物質(zhì)交換可分為閉口系統(tǒng)及開口系統(tǒng)。若一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)和外界不發(fā)生物質(zhì)交換，就稱為閉口系統(tǒng)。如圖1~1所示，工質(zhì)在氣缸中受熱膨脹而推動(dòng)活塞及重物作功。這時(shí)若取工質(zhì)為一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，而取活塞、重物及熱源為外界，則當(dāng)系統(tǒng)膨脹對外界作功時(shí)，系統(tǒng)的邊界隨活塞一起移動(dòng)，沒有任何物質(zhì)穿越邊界進(jìn)入或離開系統(tǒng)，因而這個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)為閉口系統(tǒng)。閉口系統(tǒng)中包含的物質(zhì)是固定的，故也稱閉口系統(tǒng)為控制質(zhì)量。若一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)和外界間有物質(zhì)交換，就稱為開口系統(tǒng)。門熱源如圖1-2所示，有一臺(tái)渦輪機(jī)，工質(zhì)不斷從進(jìn)口流入，在其中膨脹推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)對外界作功，然后從出口流出。這時(shí)若取渦輪機(jī)外殼及進(jìn)、出口截面(假想邊界)所包圍空間中的工質(zhì)為一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，則因系統(tǒng)和外界間不斷通過進(jìn)口和出口處的邊界交換物質(zhì)，故這個(gè)系統(tǒng)為開口系統(tǒng)。開口系統(tǒng)中的物質(zhì)的量是可以改變的。由于開口系統(tǒng)所占據(jù)的空間是固定的，故也稱開口系統(tǒng)為控若一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)和外界間既無能量交換又無質(zhì)量交換，則稱為孤立系統(tǒng)。例如把進(jìn)行能量交換的一切有關(guān)物質(zhì)如工質(zhì)、高溫?zé)嵩?、低溫?zé)嵩?、耗功設(shè)備等一起取作一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，則由于該系統(tǒng)和外界不發(fā)生任何能量和質(zhì)量的交換，因此它就是一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的選取，取決于分析問題的需要及分析方法上的方便。例如對圖0-3所示活塞式內(nèi)燃機(jī)的熱力分析，常取氣缸內(nèi)部的氣體作為研究對象，即熱力學(xué)系統(tǒng)。內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，其氣缸內(nèi)的工質(zhì)有流進(jìn)、流出，應(yīng)作為開口系統(tǒng)進(jìn)行分析。但內(nèi)燃機(jī)的主要熱功轉(zhuǎn)換過程是在其進(jìn)氣門、排氣門均關(guān)閉的條件下進(jìn)行的，因而在適當(dāng)簡化的條件下也可將其作為閉口系統(tǒng)來研究。在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的過程中，系統(tǒng)本身的狀況總是在不斷地發(fā)生變化。為了描述系統(tǒng)的變化，就需要說明變化過程中系統(tǒng)所經(jīng)歷的每一步的宏觀狀況。熱力學(xué)中把熱力學(xué)系統(tǒng)所處的宏觀狀況稱為系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)，簡稱狀態(tài)。系統(tǒng)的狀態(tài)常用一些物理量來描述，這種物理量稱為狀態(tài)參數(shù)。最基本的狀態(tài)參數(shù)有3個(gè)，即溫度、壓力和比體積(以前稱為比容),稱為基本狀態(tài)參數(shù)。它們都是可以測量的物理量。由狀態(tài)參數(shù)的定義可知：對應(yīng)于某個(gè)給定的狀態(tài)，所有狀態(tài)參數(shù)都應(yīng)有各自確定的數(shù)值，反之一組數(shù)值確定的狀態(tài)參數(shù)可以確定一個(gè)狀態(tài)；狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值僅決定于系統(tǒng)的狀態(tài)，而與達(dá)到該狀態(tài)所經(jīng)歷的途徑無關(guān)。例如系統(tǒng)由某個(gè)狀態(tài)1變化到另一個(gè)狀態(tài)2,不管經(jīng)過什么途徑，其壓力變化總相應(yīng)地，微元變化時(shí)壓力的微增量dp具有全微分的性質(zhì)，即有下面逐個(gè)介紹比體積、壓力和溫度這3個(gè)基本狀態(tài)參數(shù)的含一、比體積比體積是描述熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)分布狀況的狀態(tài)參數(shù)。它表明單位質(zhì)量物質(zhì)所占有的體積，其符號(hào)為v,單位為m3/kg。按單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為密度，符號(hào)為p,單位為kg/m3。由定義可知，密度和比體積互為倒數(shù)，即有二、壓力(壓強(qiáng))壓力是描述流體物質(zhì)組成的熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部力學(xué)狀況的狀態(tài)參數(shù)。流體的壓力，也稱壓強(qiáng)，是流體在單位面積上的垂直作用力，符號(hào)為p。根據(jù)力學(xué)原理，若作用于物體上的各力所組成的力系平衡，則物體的運(yùn)動(dòng)狀況保持不變。熱力學(xué)中稱該物體處于力平衡狀態(tài)。對于氣態(tài)物質(zhì)組成的熱力學(xué)系統(tǒng)，重力場及電磁力場的作用通?？梢院雎圆挥?jì)，因而當(dāng)氣體內(nèi)各處的壓力相同時(shí)熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部就處于力平衡的狀態(tài)。壓力也稱絕對壓力。工業(yè)上，壓力容器的受力情況主要取決于其中流體的絕對壓力和環(huán)境大氣壓力的差值，故采用這個(gè)差值作為設(shè)備工作壓力的指標(biāo)，測壓表(計(jì))測量的也是這個(gè)差值。通常，把流體壓力高出大氣壓力的差值稱為表壓，以符號(hào)Pe表示。若大氣壓力為Pb,則這時(shí)流體的絕對壓力為流體壓力低于大氣壓力的差值稱為真空度，以符號(hào)p、表示，則流體的絕對壓力為表壓、真空度和絕對壓力間的上述關(guān)系如圖1-3所示。根據(jù)上述關(guān)系，即使流體的絕對壓力不變，由于大氣壓力的變化，表壓或真空度也會(huì)發(fā)生變化。因此，只有流體的絕對壓力才能作為描述p=p+p.pp=pe-pp=0-T丸T丸十上流體狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)。壓力的單位為Pa(帕),因其單位量值較小，工程上常用MPa(兆帕)作壓力的單位，并有此外，曾經(jīng)得到廣泛應(yīng)用、目前仍能見到的其他壓力單位還mmH?O(毫米水柱，4℃)等。書后的附表10給出了各種壓力單位的換算關(guān)系。 1-2熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù)·15·三、溫度熱程度。則只要不改變它們各自的狀態(tài)，使A、B兩物體相接觸，可以看度，以T來表示，單位為K(開)。國際上規(guī)定采用水的三相點(diǎn)溫氏溫度的定義式為即0℃相當(dāng)于273.15K,而0K相當(dāng)于-273.15℃。工程上，為了簡化，有時(shí)采用以下的近似計(jì)算式：室溫為25℃,試求這時(shí)的大氣壓力，并采用下列各單位表示：hoc=758.3mmHg×(1-0.000172×25)=7P?=755mmHg×133.32Pa/mmHg=1.1-3平衡狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖熱力學(xué)分析中所涉及的熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)，通常都要求是熱力學(xué)平衡狀態(tài)，簡稱平衡狀態(tài)。如果熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)存在熱平衡、力平衡，對于有化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)還同時(shí)存在化學(xué)平衡，則熱力學(xué)系統(tǒng)所處的狀態(tài)就稱為熱力學(xué)平衡狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)中存在各種平衡條件時(shí)，只要沒有外界影響，系統(tǒng)的狀態(tài)就不會(huì)發(fā)生變化。因而，在不受外界影響的條件下，如果系統(tǒng)的狀態(tài)不隨時(shí)間而變化，則系統(tǒng)就處于平衡狀態(tài)。一個(gè)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，由于其內(nèi)部存在熱平衡， 故系統(tǒng)內(nèi)一定具有均勻一致的溫度。又由于其內(nèi)部存在力平衡，故系統(tǒng)內(nèi)具有確定不變的壓力分布，而對于氣態(tài)物質(zhì)組成的熱力學(xué)系統(tǒng)，因重力場及電磁力場的作用通常可忽略不計(jì)，故系統(tǒng)內(nèi)具有均勻一致的壓力。工程上常見的系統(tǒng)大都是氣態(tài)物質(zhì)組成的系統(tǒng)，于是整個(gè)系統(tǒng)可用一組具有確定數(shù)值的溫度、壓力及其他參數(shù)來描述其狀態(tài)。本書后面所討論的大部分系統(tǒng)都屬于這類系在平衡狀態(tài)下，表示系統(tǒng)狀態(tài)的各狀態(tài)參數(shù)，并不是都可以單獨(dú)地自由確定其數(shù)值的。經(jīng)驗(yàn)表明：系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)變化到另一個(gè)平衡狀態(tài)，完全取決于系統(tǒng)和外界間的能量傳遞。因各種能量傳遞的方式都是獨(dú)立進(jìn)行的，故而確定熱力學(xué)系統(tǒng)所處平衡狀態(tài)所需的獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的數(shù)目，就等于系統(tǒng)和外界間進(jìn)行能量傳遞方式的數(shù)目。對于工程上常見的氣態(tài)物質(zhì)組成的系統(tǒng)，當(dāng)沒有化學(xué)反應(yīng)時(shí)，它和外界間傳遞的能量只限于熱量和系統(tǒng)容積變化所作的功兩種，因此只有兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)。也就是說，只要確定兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值，其他參數(shù)的值也就隨之確應(yīng)用兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)可以組成狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖，如圖1-4所示的壓力-比體積坐標(biāo)圖，簡稱壓容圖或p-v圖。對于只要兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)就可確定其狀態(tài)的系統(tǒng)來說，即可代表系統(tǒng)的一個(gè)平衡狀態(tài)，而點(diǎn)2(P?,V?)則代表另一個(gè)平衡如果熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部不存在熱平衡或力平衡等各種平衡條件，則系統(tǒng)內(nèi)各部分會(huì)自發(fā)地發(fā)生熱的相互作用或力的相互作用，使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化，并趨于平衡狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于不平衡狀態(tài)時(shí)，其狀態(tài)難以用簡單的數(shù)值表示，也無法在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)在平衡狀態(tài)下，由氣態(tài)物質(zhì)組成的系統(tǒng)，只要知道兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)的狀態(tài)就完全確定，即所有的狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值完全確定。這說明，狀態(tài)參數(shù)之間存在著確定的函數(shù)關(guān)系。狀態(tài)參數(shù)之間的各種函數(shù)關(guān)系，統(tǒng)稱為熱力學(xué)函數(shù)。其中溫度、壓力和比體積三個(gè)基本狀態(tài)參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系式是最基本的關(guān)系式，稱為狀態(tài)方程式，并可表示為或?qū)懗蓪δ骋粻顟B(tài)參數(shù)的顯函數(shù)形式：理想氣體狀態(tài)方程式，或稱克拉貝龍方程式，是大家所熟悉的一個(gè)狀態(tài)方程式。它由波義耳-馬略特定律、蓋呂薩克定律等實(shí)驗(yàn)定律導(dǎo)得。對1mol的理想氣體有pVm=RT(1-7)式中：Vm為1mol理想氣體所占有的容積，稱為摩爾體積，m3/mol;R稱為摩爾氣體常數(shù)。根據(jù)阿伏加德羅定律可推得：在同溫同壓下，任何理想氣體的摩爾體積都相同。于是由式(1-7)可知，對于任何理想氣體，其R的數(shù)值相同。根據(jù)物理標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，即po=101325Pa及T?=273.15K,并利用該狀態(tài)下理想氣體摩爾體積的數(shù)值Vmo=22.4141×10-3m3/mol,由式(1-7)可以求得摩爾氣體常數(shù)的值為①“mol”是“物質(zhì)的量”的單位。熱力學(xué)中把含有的分子數(shù)與0.012kg碳12的原子數(shù)(即阿伏加德羅常數(shù)6.0228×10?)相等時(shí)氣體的量定義為1mol,物質(zhì)的量的定1mol理想氣體的質(zhì)量稱為摩爾質(zhì)量，以M表示，其單位為kg/mol。由摩爾的定義可知，1kmol氣體的質(zhì)量的數(shù)值等于各種氣體的相對分子質(zhì)量M,。若以M除式(1-7)等號(hào)兩側(cè)，則可得適用于1kg理想氣體的狀態(tài)方程式式中，Rg=R/M稱為氣體常數(shù)。因摩爾質(zhì)量M隨氣體種類而異，故氣體常數(shù)Rg的數(shù)值和氣體的種類有關(guān)。本書附錄中的附表1列有各種常用氣體的氣體常數(shù)Rg的數(shù)值。對于物質(zhì)的量為n(單位為mol)的理想氣體，由式(1-pV=nRT(1-10)pV=mRT(1-11)理想氣體狀態(tài)方程式，反映出了在平衡狀態(tài)下氣體的溫度、壓力及比體積間的基本關(guān)系，其形式簡單，便于實(shí)用計(jì)算，特別是式(1-7)及式(1-10)不包含與氣體種類有關(guān)的量，因而在熱力學(xué)的分析及計(jì)算中非常有用。完全遵守理想氣體狀態(tài)方程式的氣體才可稱做理想氣體。根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說，這種氣體的分子是本身不占有體積的完全彈性的質(zhì)點(diǎn)，且分子間沒有內(nèi)聚力。由此可見，理想氣體僅是一種理想的模型。實(shí)際上，當(dāng)壓力比較低或溫度比較高①,使氣體的比體積變得比較大，而相應(yīng)的分子本身的體積和分子間內(nèi)聚力的影響比較小時(shí)，氣體的狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系就基本上符合理想氣體狀態(tài)方程式。歷史上就是根據(jù)對這種情況下各類氣體所作的大量實(shí)驗(yàn)，建立了波義耳-馬略特定律、蓋呂薩克定律等實(shí)驗(yàn)定律，并總結(jié)得到了理想氣體狀態(tài)方程式。熱能工程中常用的氧、氮及空氣等，在通常的溫度及壓力下均可當(dāng)作理想氣體，按理想氣體狀態(tài)方程式進(jìn)行分析，甚至像燃?xì)?因其溫度較高)及空氣中包含的水蒸氣(因其分壓力很低)也可作為理想氣體處理。例1-2儲(chǔ)氣瓶中裝有C?H?氣體1kg,瓶的容積為50L?，F(xiàn)室溫為pV=mR?T當(dāng)用去一部分壓縮空氣后，罐內(nèi)空氣的壓力p?降為0.9MPa。設(shè)室溫為 1-5熱力過程和準(zhǔn)靜態(tài)過程過程。如圖1-5所示的由氣缸中氣體組成的熱力學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)活塞先發(fā)生膨脹而壓力降低，接著其余部分氣體也逐步發(fā)生膨脹降完成了一個(gè)熱力過程。再如圖1-6所示的由封閉容器中氣體組成并相互處于熱平衡，保持溫度為T。這時(shí)系統(tǒng)本身也處于平衡狀態(tài)。若把容器移至溫度為T+△T的恒溫?zé)嵩刺?，則氣體受熱而升至T+△T時(shí)，系統(tǒng)和熱源間達(dá)到熱平衡，系統(tǒng)本身也達(dá)到一 所需的時(shí)間，即所謂弛豫時(shí)間非常短。尤其像一般往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器，其氣缸內(nèi)部空間很小，活塞運(yùn)動(dòng)速度僅每秒十余米，因此當(dāng)機(jī)器工作時(shí)氣體工質(zhì)內(nèi)部能及時(shí)地不斷建立平衡狀態(tài)，而工質(zhì)的變化過程很接近準(zhǔn)靜態(tài)過程。即使在氣流速度較高、狀態(tài)變化較快的渦輪式機(jī)器中，當(dāng)它穩(wěn)定工作時(shí)，氣流中氣體狀態(tài)的變化仍可近似地按準(zhǔn)靜態(tài)過程進(jìn)行分析。在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上，準(zhǔn)靜態(tài)過程可表示為一條曲線。如圖1-7所示的pv圖，曲線1-2即表示一P個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程。如果系統(tǒng)由狀態(tài)1'到2'的變化經(jīng)歷的不是準(zhǔn)靜態(tài)過程，即過程中系統(tǒng)經(jīng)歷的是一系列不平衡狀態(tài)，則除I'及2′兩個(gè)平衡狀態(tài)外，整個(gè)過程經(jīng)歷的狀態(tài)無法表示在p-v圖上，而僅能在1'及2'兩點(diǎn)間連以虛圖1-7準(zhǔn)靜態(tài)過程和非準(zhǔn)力學(xué)中把物體通過力的作用而傳遞的能量稱之為功，并定義功等于力F和物體在力作用方向上的位移△x的乘積，即W=F△x按此定義，氣缸中氣體膨脹推動(dòng)活塞及重物升起時(shí)氣體就作功；渦輪機(jī)中氣體推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)氣體也作功。這類功都屬于機(jī)械功。但除此之外，還有許多其他形式的功，它們并不直接地表現(xiàn)為力和位移，但能通過轉(zhuǎn)換全部變?yōu)闄C(jī)械功，因而它們和機(jī)械功是等價(jià)的。例如電池對外輸出電能，即可認(rèn)為電池對外輸出電功。于是，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)，熱力學(xué)中功的定義如下：功是熱力學(xué)系統(tǒng)和外界間通過邊界而傳遞的能量，且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。必須注意，功是通過邊界而傳遞的能量，所以系統(tǒng)本身宏觀運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能及離地一定高度的重力位能等系統(tǒng)本身直接由系統(tǒng)容積變化和外界發(fā)生作用而傳遞的功稱為容積變化功，或直接稱為膨脹功及壓縮功。如圖1-8所示的熱力學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)氣體發(fā)生膨脹而推動(dòng)活塞升起時(shí)，系統(tǒng)即對外界作膨脹功。在微元過程中，設(shè)在邊界上活塞所受推力為F,而位移為dx,則系統(tǒng)對外界作的膨脹功為δW=Fdx界上活塞所受推力F可表示為系統(tǒng)圖1-8的壓力p和活塞面積A的乘積，即F=pA。于是可得微元準(zhǔn)靜態(tài)過程中系統(tǒng)對外界所作膨脹功的若該系統(tǒng)中氣體的質(zhì)量為m,則按1kg氣體計(jì)算的膨脹功為當(dāng)準(zhǔn)靜態(tài)過程中系統(tǒng)的壓力p隨容積V或比體積v變化的函數(shù)關(guān)系p=p(V)已知時(shí)，即可按上述公式通過積分來計(jì)如過程中系統(tǒng)狀態(tài)變化的關(guān)系為pv=P?V?=常量，則該過程中系 系統(tǒng)所作的容積變化功。如圖1-9所示，若在準(zhǔn)靜態(tài)過程1-線上取一微段a-b,則該段下面的陰影部分的面積即可代表微元面的面積代表準(zhǔn)靜態(tài)過程1-2中系統(tǒng)所作的容積變化功。采用p-v圖表示容積變化功形象直觀，故常用于如圖1-10所示，自狀態(tài)1到狀態(tài)2可以有許多不同的過程，相應(yīng)地各過程曲線下的面積代表的各過程中系最后必須指出，當(dāng)過程中存在摩擦、擾動(dòng)等現(xiàn)象時(shí)，必然引起功的耗散，且狀態(tài)變化的情況也較為復(fù)雜，因而除簡單情況外，不深入考慮各種功耗散因素對系統(tǒng)作功的影響。而上述功的計(jì)算公式及圖示分析，也只適用于不存在功耗散現(xiàn)象的準(zhǔn)靜態(tài)過程。實(shí)際上，除特別指明外，熱力學(xué)中一般都是分析不存在功耗散現(xiàn)象的準(zhǔn)靜態(tài)過程，并稱這類過程為可逆過程。有關(guān)可逆過程的內(nèi)容將在第五章中詳細(xì)討論。例1-4設(shè)氣缸中氣體的壓力為4MPa,容積由500cm3膨脹至1000解已知：=(4×10?)Pa×(1×10-3-5×104)m31-11所示：過程1-2’為水平線，而過程1-2”為雙曲線。顯然。曲線1-2'下面的=20×10?Pa×(1000-500)×物體間除了以功的方式傳遞能量，還常以熱量的方式傳遞能量。熱力學(xué)中對熱量作如下定義：熱量是熱力學(xué)系統(tǒng)和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量。根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說，可以對熱量的概念給予更明確的說明。如前所述，氣體的熱力學(xué)溫度乃是氣體分子平均移動(dòng)動(dòng)能的量度，故兩種氣體的溫度不同時(shí)，其分子平均移動(dòng)動(dòng)能就不相同。當(dāng)這兩種氣體相接觸時(shí)，它們的分子在紊亂運(yùn)動(dòng)中相互碰撞，由動(dòng)能大的分子向動(dòng)能小的分子傳遞動(dòng)能，于是溫度較高的氣體分子平均移動(dòng)動(dòng)能減小，而溫度較低的氣體分子平均移動(dòng)動(dòng)能增大，即由溫度較高的氣體向溫度較低的氣體傳遞了能量。這就是熱量傳遞的微觀實(shí)質(zhì)。固態(tài)物質(zhì)間熱量傳遞的過程也相類似，只是固態(tài)物質(zhì)分子動(dòng)能的傳遞形式有所不同而已。熱量和功都是系統(tǒng)和外界間通過邊界傳遞的能量，但兩者有著本質(zhì)的差別：熱量是物體問通過紊亂的分子運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量；功則是物體問通過有規(guī)則的微觀運(yùn)動(dòng)或宏觀的運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量。也正是由于這個(gè)差別，熱量不可能把它的全部效果表現(xiàn)為舉起重物，關(guān)于這一點(diǎn)將在第五章中詳細(xì)討論。應(yīng)該注意，熱量和熱能是兩個(gè)不同的概念。熱能是指物體內(nèi)分子紊亂運(yùn)動(dòng)即分子熱運(yùn)動(dòng)所具有的能量，故它是可儲(chǔ)存于物體的一種能量。而熱量則是兩物體間傳遞的熱能的數(shù)量，也稱傳熱量，因而不能說物體含有熱量。熱量也是過程量，故用Q1-2表示過程1-2中傳遞的熱量，用δQ表示微元過程中傳遞的微量的熱量。熱量的單位為J。按1kg物質(zhì)計(jì)的熱量用q1?2及δq表示，其單位為J/kg。通常規(guī)定，系統(tǒng)吸熱時(shí)熱量為正，系統(tǒng)放熱時(shí)熱量為負(fù)。熱力學(xué)系統(tǒng)和外界間進(jìn)行的各種能量傳遞過程所遵循的規(guī)律是類似的，因而可以采用類似的關(guān)系來描述各種方式的能量傳遞作用。類比于物體在力的作用下其空間位置發(fā)生變化而傳遞機(jī)械功的現(xiàn)象，熱力學(xué)中引用勢和狀態(tài)坐標(biāo)兩類狀態(tài)參數(shù)，把各種能量傳遞過程都描述為系統(tǒng)在勢參數(shù)的作用下，狀態(tài)坐標(biāo)發(fā)生變化而實(shí)現(xiàn)的與外界間的能量傳遞過程。所謂勢，就是推動(dòng)能量傳遞的作用力，其數(shù)值的大小直接地決定能量傳遞作用的強(qiáng)度。而所謂狀態(tài)坐標(biāo)，乃是其變化可作為衡量某種能量傳遞作用的標(biāo)志。例如，當(dāng)系統(tǒng)和外界間傳遞容積變化功時(shí)，推動(dòng)作功的勢是壓力，狀態(tài)坐標(biāo)是比體積，比體積的變化則是衡量作功的標(biāo)志：比體積增大系統(tǒng)對外作功，比體積減小外界對系統(tǒng)作功；比體積不變，則無論狀態(tài)發(fā)生何種變化，系統(tǒng)和外界無容積變化功的交換。與此類似，當(dāng)系統(tǒng)和外界傳遞熱量時(shí)，系統(tǒng)的溫度是推動(dòng)熱量傳遞的勢，而作為傳遞熱量作用的狀態(tài)坐標(biāo)必然有一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，這個(gè)狀態(tài)參數(shù)稱為熵，其符號(hào)為S,單位為J/K。類比于無耗在無耗散現(xiàn)象的準(zhǔn)靜態(tài)過程中也即可逆過程中，系統(tǒng)和外界傳由該式可知，系統(tǒng)吸熱時(shí)它的熵增大；系統(tǒng)放熱這里，s為1kg工質(zhì)的熵，稱為比熵。式(114)、(114a)及式(1-15)、(1-15a)對于系統(tǒng)和外界間傳遞熱量的分析有很重要的作如圖1-13所示，T-s圖和p-v圖一樣，圖上一個(gè)點(diǎn)可代狀態(tài)，一條曲線可代表一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程。類似于在p-v圖上表示容積變化功,在T-s圖上，曲線1-2下面的面積可以表示無耗散現(xiàn)象的準(zhǔn)靜態(tài)過程，即可逆過程中系統(tǒng)和外界傳遞的熱量，即。當(dāng)s?>s?時(shí)表示系統(tǒng)吸熱；當(dāng)s?<s時(shí)表示系統(tǒng)放熱。溫熵圖給分析系統(tǒng)和外界傳遞的熱量帶來很大方便。根據(jù)點(diǎn)2之間可連接許多不同的過程曲線，各曲線下面的面積所代表的熱量顯然是不同的，從而說明系統(tǒng)和外界計(jì)算熱量時(shí)常采用物質(zhì)的比熱容的概念。由物理學(xué)知：1kg及8qp=c,dT(1-16b)除比熱容c,及cy外，熱工計(jì)算中也常用摩爾熱容及容積熱容。摩爾熱容為1mol物質(zhì)溫度升高1K(或1℃)所需Cpm及Cvm表示；容積熱容為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1m3的氣體溫度升高1熱容和容積熱容的單位不同，分別為J/(kg.K)、J/(mol·K)和排入大氣。這類機(jī)器中，工質(zhì)的變化比較復(fù)雜，不僅機(jī)器中每次循環(huán)工作都要重新吸入新鮮空氣，而且每次循環(huán)中工質(zhì)的化學(xué)組成還要發(fā)生變化，由空氣變成燃?xì)?。為了便于進(jìn)行熱力學(xué)分析，在舍棄一些次要的因素后，可以采用一個(gè)理想的循環(huán)變化過程來替代它。這時(shí)，把工質(zhì)化學(xué)組成發(fā)生變化的燃燒過程改換成一個(gè)假想的加熱過程，并把排氣及吸氣過程合起來看作把工質(zhì)送到機(jī)器外面大氣中冷卻的過程。于是，仍然得到和蒸汽動(dòng)力裝置相同的工作方式，工質(zhì)在經(jīng)過一系列的變化后重新回復(fù)到初始狀態(tài)，周而復(fù)始地循環(huán)工作。熱力學(xué)中，把系統(tǒng)由初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列中間狀態(tài)后，重新回到初始狀態(tài)所完成的一個(gè)封閉的熱力過程，稱為熱力循環(huán)，或簡稱循環(huán)。若循環(huán)中系統(tǒng)經(jīng)歷的是準(zhǔn)靜態(tài)過程，則它可以在p-v及T-s圖上表示為一條封閉曲線。如圖1-15所示的封閉曲線a-b-c-d-a即代表一個(gè)熱力循環(huán)。按p-v圖，在過程a-b-c中比體積v增大，所以容積變化功為正，系統(tǒng)對外作功；而在過程c-d-a中比體積v減小，為負(fù)，外界對系統(tǒng)作功。于是整個(gè)熱力循環(huán)中系統(tǒng)所作的凈功應(yīng)為該兩過程功的代數(shù)和，即它可用pv圖上循環(huán)曲線所包圍的面積表示。按T-s圖，在過程a-b-c中比熵s增大，過程的熱量正，系統(tǒng)吸熱；而在過程c-d-a中，熱量為負(fù)，系統(tǒng)放1-1試確定表壓力為0.1kPa時(shí)U形管壓力計(jì)中的液柱高度差。(1)液體為水，其密度為1000kg/m3;(2)液體為酒精，其密度為789kg/m3。1-2測量鍋爐煙道中真空度時(shí)常用斜管壓力計(jì)。如圖1-16所示，若a=30°,液柱長度l=200mm,且壓力計(jì)中所用液體為煤油，其密度為800kg/m3,試問煙道中煙氣的真空1-3在某高山實(shí)驗(yàn)室中，溫度某U形管差壓計(jì)中的汞柱高度差為30cm,試問實(shí)際壓差為多少mmHg1-4某水塔高30m,該高度處大氣壓力為0.0986Mpa。若水的密度為